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ARM의 MMU
임베디드 프로세서도 요즈음은 동시에 많은 양의 프로그램을 동시에 수행하게 된다. 물론 단일 프로세서가 한번에 하나의 프로그램을 수행하지만 RTOS와 같은 환경에서는 응용프로그램의 개발자가 시스템에 있는 메모리 전부를 다룰 수 있도록 되어 있다. 이러한 일련의 작업들을 지원하기 위해서는 별도의 하드웨어가 필요한 데 이를 위해서 MMU(Memory Management Unit)라는 개념을 도입하였다.
ARM7TDMI에는 없지만 ARM을 사용하면서 MMU를 모르고 사용한다면 절름발이 ARM을 쓰는 것이다. 물론 자료도 많지 않아서 관련된 자료를 읽어보아도 다소 설명이 어려운 것은 사실이다. 그러나 다시 한번 산을 넘어보자. 이번에는 MMU와 관련된 용어와 그 개념들에 대해서만 알아보자.
ARM의 MMU를 구성하는 데는 적어도 다음의 세 가지 구성요소가 필요하다.
- TLB(Translation Look-aside Buffer),
- 접근 제어 로직(Access Control Logic)
- Translation table-walking 로직
이 중에서 TLB는 프로그래밍에 도움이 되므로 좀더 자세히 다루기로 한다.
ARM에서 MMU의 중요한 역할 중의 하나가 가상 메모리와 물리적 메모리로 변환해 주는 역할이며, 다른 하나는 프로세서의 동작 모드에 따라서 메모리의 접근 권한을 관리하는 역할이다. ARM MMU는 2가지 레벨의 페이지 테이블을 사용하는 데 하나는 테이블 작업을 수행해 주는 하드웨어이며, 다른 하나는 최근에 사용된 변환 페이지가 저장되는 TLB이다.
메모리의_형태
메모리의 맵핑은 동일한 기본 메커니즘에 의해 다양한 형태로 수행되며, 크게는 섹션과 페이지로 구분할 수 있다. 섹션은 1Mbyte 블럭 메모리이며, 페이지는 다시 Large(64Kbyteblock), Small(4KByte block), 그리고, Tiny(1KByte block)로 구분된다.
섹션과 Large Page 방식은 한 개의 TLB로 큰 메모리 영역을 맵핑할 수 있다. 또한 Small Page 방식은 1KByte 블럭의 sub-Page로 확장되고, Large-Page 방식은 16KByte 블럭으로 확장된다. 그러나 Small page영역에 많은 양의 데이터를 할당하면, 경우에 따라서는 TLB 성능이 떨어질 수도 있다고 하니 적절한 메모리 모델을 선택하는 것도 중요하다.
도메인 domain 이란
도메인은 ARM MMU 아키텍처의 특징 중 하나인 데, 도메인은 섹션이나 개별 접근 권한을 가지는 페이지들의 그룹이다. 도메인은 동일한 변환 테이블을 가지고 수많은 다른 프로세스들을 실행할 수 있도록 해준다. 도메인에 의해 각각의 프로세스들이 각각의 변환 테이블을 가지고 있을 때보다 좀더 가벼운 프로세스의 전환 메커니즘을 가지게 된다.
TLB란?
TLB란 Translation Look-aside Buffer의 약자인데, 페이징(Paging)의 개념이 프로그래머에게 메모리를 사용하는 데 있어 완전한 자유도와 투명성을 제공하는 반면, 각각의 메모리에 대한 접근을 위해서 필요한 두 가지의 오버헤드(페이지 디렉토리와 페이지 테이블의 구성)가 필요하며, 이러한 오버헤드를 피하기 위해서 TLB라는 개념을 도입했다. TLB는 페이지 변환에 사용되는 일종의 캐시이며, 그 역할은 가상 어드레스를 물리 어드레스로 변환과 접근 권한을 캐싱(caching)하는 것이다.
즉, TLB에 가상 어드레스를 위한 변환 엔트리가 있으면, 메모리 접근제어 로직이 메모리의 접근가능 여부를 판단하고, 접근이 허용되는 경우에만 MMU는 virtual address에 대한 physical address를 보내주고, 그렇지 않으면, MMU에 의해 프로세서는 abort 신호를 출력한다. 특히, ICE(In-Circuit-Emulator)와 같은 디버깅 도구를 사용하다 보면 프로그램의 다운로드가 정상적으로 되지 않으면, abort신호가 나오는 경우를 볼 수가 있는데, MMU의 이런 기능 때문에 발생하는 것이다.
TLB가 없는 경우도 있을 수 있는데, 이런 경우는 physical memory에 있는 변환 테이블에서 정보를 읽어다 TLB에 저장한다.
변환 테이블
ARM의 MMU는 두 가지 레벨의 변환 테이블을 가지고 있는데, 섹션의 변환과 섹션 레벨 테이블의 포인터를 가지고 있는 1st 레벨 테이블과 Large/Small 페이지의 변환 값을 가지는 2nd 레벨 테이블이 그것이다.